LED复习要点

第一章•LED：LightEmittingDiode•发光二极管•利用固体半导体芯片作为发光材料，当其两端加正向电压时，半导体中的载流子复合，放出过剩的能量，引起光子发射，产生可见光。2.LED的产业分布•LED的产业链•上游：主要是LED灯内部的衬底材料和外延片研发生产。•中游：LED芯片的制备•下游：主要是LED的封装和应用领域LED的产业分布•美国和日本在LED新产品和新技术领域拥有创新优势，主要从事最高附加值产品的生产。•欧洲在LED应用技术开发和最新技术转换方面拥有优势，其产品的附加值较高。•台湾最近10年迅速崛起，在LED芯片产品和封装产量方面占据世界第一。•LED优点：功耗低•在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力。•缺点：发光效率低、散热不好、成本过高等问题只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。•光纤的结构•光纤(OpticFiber)，是光导纤维的简称，它能够将进入光纤一端的光线传送到光纤的另一端。•光纤是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维，它一般由纤芯、包层、涂覆层与护套层构成。•纤芯多为石英玻璃，材料主体为二氧化硅，其中掺杂其他微量元素，以提高纤芯的折射率。包层主体为二氧化硅，折射率低于纤芯。全反射---光纤•对于光纤，由于纤芯与包层的折射率均为常数，因此光在光纤内的传播途径为折线，如图所示。•由于纤芯折射率大于包层折射率，即n1＞n2，因此折射角大于入射角，即θ2＞θ1。随着入射角θ1的增大，折射角θ2随之增大。当折射角θ2=90°时，折射消失，入射光线全部被反射，从而发生全反射。光纤的传光原理•根据折射定律，满足全反射条件的最小入射角θC为•sinθc=n2/n1(7-1)•当入射角θ1＞θC时，光线不再进入包层，而是在光纤内不断反射并向前传播，直至从光纤的另一端射出，即光纤的传光原理。光线从外界介质射入纤芯后，能够实现全反射的最大入射角θ0(称为张角)应满足n0sinθ0称为数值孔径，光的基本度量单位光通量Φ,光通量的单位为流明(简写lm),发光强度.单位为坎德拉(cd).光照度E,光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。光出射度M亮度L，单位为坎/米2（cd/m2）。发光效率（光效）η允许功耗Pm最大正向直流电流IFm最大反向电压VRm工作环境topm光谱半宽度Δλ正向工作电流If正向工作电压VF正向电压VF正向电流IF反向漏电流IR工作时的耗散功率PD最大允许耗散功率Pmax最大允许工作电流IFM反向击穿电压VR1）LED基本结构2）LED的单向导通性LED发光的颜色由半导体的种类决定，不同种类的半导体具有不同的禁带宽度Eg。电子、空穴复合释放的能量由禁带宽度Eg决定。要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26eV～1.63eV之间，比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光等各种颜色的LED。4.LED的分类与常见器件形式1）按发光颜色分类按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。2）按出光面特征分类按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。3）按发光强度角分类1.高指向性2.标准型3.散射型4）按发光二极管的结构分类按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。5.白光LED的种类、实现方法与结构•蓝光LED+不同色光荧光粉•紫外光或紫光（300~400nm）LED+RGB荧光粉•利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED混合生成白光白光LED的实现方法第一种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。该技术被日本Nichia公司垄断，而且这种方案的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3＋离子的发射光谱不具连续光谱特性，显色性较差，难以满足低色温照明的要求。同时发光效率还不够高，需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。第二种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光。该类产品虽显色性较好，但所用荧光粉的转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高，因此推广也较慢。第三种方法：在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光（370nm－380nm）或紫光（380nm－410nm）来激发荧光粉，从而实现白光发射。该种LED的显色性更好，但存在与第二种方法类似的问题，且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系。这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大，故还没批量使用。其他方法：在特殊的场合，白光LED还有其他几种封装方法。这里简单的介绍一下：第一种：将红、蓝、绿三芯片封装在一起，按照一定的比例对其光色进行控制，混出白光。第二种：实现方法是用红、蓝、绿、黄四芯片混出白光。白光LED的两种基本方式•单芯片型•多芯片型芯片数激发源发光材料发光原理蓝光LEDInGaN（铟氮化稼）/YAGInGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光蓝光LEDInGaN荧光粉InGaN的蓝光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发出白光1蓝光LEDZnSe（硒化锌）由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合成白光紫外光LEDInGaN／荧光粉InGaN的紫外光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发出白光2蓝光LED黄绿LEDInGaN.GaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起制成白光LED3蓝光LED绿光LED红光LEDInGaN.AlInGaP将发三原色的三种芯片封装在一起制成白光LED多个多种光色的LEDInGaN.GaP.AlInGaP将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起制成白光LED第二章对LED芯片外延材料的基本要求及选择考虑通常有以下几点：1.要求有合适的带隙宽度Eg2.可获得高电导率的P型和N型晶体，以制备优良的PN结为使P区和N区有足够高的电导率，通常要求掺杂浓度不小于1*1017/cm3选择迁移率高的材料3.可获得完整性好的优良晶体晶体的晶格缺陷和外来杂质会形成复合中心，影响器件的发光效率。4.发光复合概率大采用直接间隙型的半导体材料来制备LED导带底和价带顶在空间内相同点的情况下因为直接能隙半导体材料中的电子、空穴复合时，没有动量的改变，则不需要第三者参与，故能量都可以发光的形式释放出来——发光强度大。2.几种主要的外延材料1）AlInGaP外延材料。可以实现：红光（625nm）、橙光（611nm）和黄光（590nm）的发射。2）GaN外延材料制备白光LED的基石。问题：晶格适配度较大。3）AlInGaN外延材料，蓝光发射的宽禁带半导体材料4）AIGaAs外延材料，红光5）其他新型外延材料，制备高效紫光发光器件的候选材料1优化芯片发光层能带结构1）双异质结2）量子阱结构2.提高光引出效率的芯片技术1）在芯片与电极之间加入厚窗口层在芯片和电极之间引入折射率更低的厚窗口层，可以有效扩大光引出角锥，提高光效率。3)双反射(DR)和分布式布拉格反射(DBR)结构（比传统结构亮度增大2倍）4)倒装芯片(Flip-chip)技术倒装芯片优点：（1）避开电极遮光的问题（2）解决了蓝宝石散热的问题（3）增加静电放电保护回路5)表面粗糙化纹理结构（表面粗糙化的主要作用是增加透射率）6)异形芯片技术封装的作用将普通二极管的管芯密封在封装体内，起作用是保护芯片和完成电气互连。功能：1,保护芯片不受外界环境的影响2,提高器件导热能力3,提高出光效率常用的LED芯片封装方式包括：引脚式封装平面式封装表贴封装食人鱼封装功率型封装3白光LED的实现方法1）荧光粉转换(PC)LED2)三基色荧光粉转换(PC)LED3）多芯片(MC)白光LED（三基色RGB合成）LED的结温热阻2.采用微通道制冷的LED1)硅基微通道致冷器的基本结构及其研究结果2)微通道致冷器技术第三章4.LED的其他电学参数在高频电路中使用LED时，还要考虑以下两个因素：结电容Cj响应时间：上升时间tr，下降时间tf当LED接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间，否则LED无法正常工作。2LED电学参数的测量1)大功率LED的测试2)插件式单颗LED（功率为0.2W）的测试3）贴片式单颗LED（功率为1W）的测试4)LED的极性判别及其简易测试第四章2常用的LED电源驱动方案LED电源一般有多种方案驱动，但无论使用哪种电源驱动方案，一般都不能直接给LED供电。根据供电电压的高低，可以将LED电源驱动器分成：1）低压驱动（0.8~1.65V）2）过渡电压驱动（4V）3）高压驱动（高于5V）4）市电驱动常用的LED电源驱动方案1）低压驱动（0.8~1.65V）应用：便携式电子产品功能：驱动小功率或中功率的白光LED（LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等）技术：电荷泵式升压变换器2）过渡电压驱动（4V）功能：给LED供电的电源电压值在LED管压降附件变动，这个电压有时可能略高于LED的管压降，有时可能略低于LED的管压降。（两节串联的铅酸蓄电池，满电量时电压在4V以上，电路快用完时在3V以下）应用：LED矿灯技术：既要解决升压问题又要解决降压问题。反极性电荷泵式变换器3）高压驱动（高于5V）功能：给LED供电的电压始终高于LED的管压降，由稳压电源或蓄电池供电应用：太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统技术：解决降压问题串联开关降压电路4）市电驱动功能：直接由市电供电或相应的高压直流电进行供电，是LED照明应用中最有价值的供电方式应用：大功率白光LED技术：解决降压和整流问题降压式DC/DC转换器驱动电路桥式变换电路3LED显示驱动方式1）静态显示驱动法每一个LED灯分别对应一个独立的I/O驱动口，其点亮和关闭由该I/O驱动口来对其进行控制，互不干扰。2）动态显示驱动法2LED全部串联方式优点：通过每个LED的工作电流相等，一般应串入限流电阻R，要求LED驱动器输出较高的电压。当LED一致性差别大时，由于通过每只LED的电流相同，故各LED的亮度一致。3LED全部并联方式并联设计基于低驱动电压，无需带电感的升压电路。并联设计具有低电磁干扰、低噪声和高效率等特点，且容错性较强。避免了串联设计中，一只LED发生故障时就会导致整个照明子系统失效。缺点：（1）由于每只LED之间的特性参数存在一定的差别，且LED的正向电压会随温度的上升而下降，不同LED散热条件差别会引起工作电流的差别。散热条件较差的LED温升越大，正向电压下降得越快，造成工作电流上升，而工作电流的上升又会引起温度的剧升，如此循环导致LED烧毁。（2）当LED一致性差别较大时，通过每只LED的电流不一致，LED的亮度也不同。4LED混联方式如果将所有的LED串联，需要LED驱动器输出较高的电压；如果所有LED并联，需要LED驱动器输出较大的电流。限制LED的使用量，并使驱动器成本增加。解决办法：采用混连结构，每一个LED串联支路的电压相同，每一支路上LED电流基本相同，亮度一致。5交叉阵列形式1电容降压式LED驱动器1)最简单的电容降压电路2)采用压敏电阻的电容降压LED驱动电路“压敏电阻”是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位，吸收多余的电流以保护敏感器件。现在大量使用的“氧化锌”（ZnO）压敏电阻器。电容C1的作用是降压和限流；VD1~VD4的作用是整流，用于将交流电整流为脉冲直流电压；C2、C3的作用是滤波，用于将整流后的脉动直流电压滤波成平稳的直流电压；压敏电阻Rv的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泄放掉，从而保护LED不被瞬间高压击穿。3)采用可控硅的电容降压LED驱动电路4)具有滤波单元的电容驱动电路1调光功能的实现方式调光功能的实